海洋作为地球上最广阔的水体，蕴藏着丰富的油气及矿产资源，吸引了许多国家和研究机构对其开展探索活动。水下航行器作为深海研究的关键装备，受到了研究人员的关注，而新出现的自主水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle，AUV)由于其优异的航行性能和较为低廉的价格更是成为当前研究的热点。对巡弋型AUV而言，减少推进器的数量虽然能够提高其续航能力与航行速度，但却使AUV变为一欠驱动系统，为控制系统的设计带来了一系列困难。同时，AUV在约束条件下的强非线性特性以及近水面航行中易受海浪干扰等问题也增加了控制系统的设计难度。因此，研究近水面航行的AUV的运动控制问题具有十分重要的现实意义。本文的主要研究内容如下：
　　1、分别建立欠驱动AUV六自由度运动学模型与动力学模型；对运动学中坐标系之间的转换关系进行分析，对动力学模型中涉及到的AUV惯性力、粘性力、恢复力以及控制力进行分析并给出计算方法；为方便控制器设计，将六自由度运动数学模型解耦为三自由度垂直面运动数学模型；对AUV的回转、下潜以及螺旋下潜运动进行仿真并对其运动特性进行分析，验证所建立模型的正确性。
　　2、对造成AUV近水面不稳定运动的海浪的成因进行分析；将海浪力分为一阶海浪力以及二阶海浪力，对其形成原因和作用特点进行分析；介绍相关海浪理论，对影响海浪力作用效果的因素进行分析，给出一阶和二阶海浪力的具体计算方法；为便于观测器设计，给出海浪力控制模型。对海浪力计算模型以及控制模型进行仿真分析，验证所建立海浪力计算模型和控制模型的正确性。
　　3、对高频海浪信号进入控制系统所带来的影响进行分析；建立离散时间域下近水面航行AUV的三自由度垂直面运动数学模型；对卡尔曼滤波理论的原理进行介绍，分析该理论在实际应用中存在的问题；对无迹变换理论进行介绍，给出基于无迹卡尔曼滤波理论的非线性海浪滤波器的设计方法，并在AUV的不同工况下对海浪滤波器的输出效果进行仿真实验，将仿真结果与线性海浪滤波器仿真结果进行对比，验证非线性海浪滤波器的有效性。
　　4、针对欠驱动AUV的动力学特征，选用模型预测控制作为AUV运动控制方法，对模型预测控制的基本原理进行介绍，提出一种带有海浪滤波器的垂直面运动控制系统；在控制器设计中，针对AUV的强非线性特性使得控制过程计算量过大这一问题，选取AUV前一时刻状态作为工作点，利用斯特林差值公式对非线性系统函数做线性近似，并以此线性模型作为控制过程中的预测模型；以深度和纵倾角为控制目标，构建性能指标函数，将其改写成二次规划形式以便于求解；对变深运动和AUV抗海浪扰动能力进行仿真实验，验证控制器与控制系统的控制效果与性能。